你不了解的SCV技术难点_[#第一枪]

安全设计理念

一台好的SCV的设计生产过程，并不是轻而易举的，而是需要解决很多问题，需要始终贯穿安全设计的理念。本文将针对SCV的多个突出的设计难点，展开讲解，已使得广大SCV爱好者对SCV的设计过程有所了解。

据融合技术

SCV之所以能够保持直立，其核心在于利用多个惯性传感器（陀螺仪，加速度传感器）的输出进行滤波融合，获得较为准确度车体姿态信息。由于SCV的使用方法和应用场景所致，其存在较大的动态性。例如，人站在SCV上，猛推把手杆，这时，将会使得车体出现一个瞬时向前的较大的加速度，此时整个滤波融合系统将会受到较大的影响。采用普通的融合滤波器（如定参数卡尔曼滤波或者互补滤波器），均会导致较大的融合误差，因此需要在融合过程加入一定的补偿措施以及使用变参数卡尔曼滤波，才能得到较为准确的融合角度。总的来说，要获得较为准确的高动态情况下的姿态角度，需要采取针对性较强的补偿和变参数滤波器。这是传感器数据融合过程的一大难点。

传感器系统的抗温漂性能

现在市面上几乎所有的SCV类产品，采用的惯性传感器都是MEMS传感器（MEMS陀螺与MEMS加速度传感器），其输出很容易受到环境温度的影响，在温度变化时会影响SCV的驾驶体验和控制精度。SCV的工作环境，一般要求可以在-10℃到40℃的环境温度下使用。同时，由于车体电机和电路板在使用过程中会持续发热，因此会导致车体内部温度随着骑行时间的增加有所升高。在SCV的设计生产过程中，必须做到具有较强的抗温漂性能。抗温漂比较常规的做法就是做温度校准，即让焊接好的电路板，在程控恒温箱中遍历-10℃到40℃的温度，记录传感器的温漂情况，然后在使用过程中，根据环境温度的大小，利用之前测量到的数据做温度补偿。由于整个过程耗时较长，同时设计较为复杂，如何在生产过程中进行批量的温度校准，是SCV设计过程中的又一个难点。

高过载性

SCV的电机和电池的选型和电机驱动电路的设计是一个较为复杂的过程，其既要考虑平稳运行的高效率，又要能够应对各种突发的冲击情况。SCV在平路上骑行的时候，其输出功率并不大，只用到了整个两轮车动力系统不到1/2的输出能力；SCV在遭遇冲击负载时（如驾驶者突然用手猛推杆，或者高速上坡）会需要动力系统输出较大的瞬时（短时）功率。也就是说，SCV的电机选型，需要留出较大的冗余量，用以应对大负载时的瞬时（短时）大功率输出。选择大功率的电机固然可以提供较大的冗余动力，但是带来了体积，重量，成本，效率的问题；简单地选择小功率的电机，又不能提供足够的冗余动力。因此，如何在进行合理的电机选型以及配套的控制与保护方法，将是SCV的一大设计挑战。

低速电机驱动性能

两轮平衡SCV在实际使用过程中，需要原地站立不动，更特殊的情况下，需要能够在斜坡上平稳地站立不动，这个过程对SCV电机的低速驱动性能提出了较高的要求。SCV的低速控制性能，有很多影响因数，如电机的齿槽效应强弱、电流采样精度、电机软件驱动方式（六步换相vs矢量控制）、软件控制策略和控制参数的优劣、减速器间隙、减速器减速比、联轴器间隙等等。这些影响因数的某一个出现问题或者存在不足，都可能导致SCV在低速或者原地站立时出现“麻脚”、“波动”、“死区”等问题，从而影响最终的用户体验。

SCV市场上主流的电机驱动方式有两种，即较为低端的六步换相驱动方式与矢量控制驱动方式。六步换相驱动方式，由于每个电机的电周期只进行6次换向，因此存在较强的力矩波动，如果减速器的减速比比较大（常见于大轮版本的SCV中），则这种力矩波动会被减速器的大传动比抵消掉，对用于体验的影响较小；但是对于减速比较小的SCV（常见于小轮版本的SCV中）则影响较大。矢量控制常采用正弦波控制，其换向过程是连续平滑的，不会出现明显的力矩波动情况，这种控制方式特别适合于小轮版本的SCV使用。

精确的低速控制性能，同时也为SCV的遥控与自动行走模式，提供的技术基础。

过速保护机制

由于电机的速度与功率均存在上限，因此，当SCV被加速到较大速度时，需要对速度进行限制。在SCV的设计中，可以通过主动控制车体姿态来实现速度限制的功能。该主动姿态控制过程，在用户看来，就是SCV的踏板面，不断地向后翘起，使得SCV的驾驶者，不能继续再加速。当SCV速度降下来之后，车体将逐渐放平之前抬起的角度，以恢复正常的骑行体验。市面上很多公司的SCV这方面都做的不够好，不是顶人过猛不舒适，就是速度容易骑行的很快，最重导致电机功率耗尽，导致倒车事故。因此，如何实现舒适的踏板抬起过程，以及如何平缓地放平踏板，是SCV设计过程中的一大难点。

高冗余度设计与备份系统

SCV是一个动态不稳定系统，其安全性和稳定性，完全取决于控制系统的作用。因此，为了确保控制系统的稳定性，在SCV设计过程中，电子元器件品质与参数冗余，接插件的线路冗余，电机的功率冗余，电池的能量冗余，甚至整个控制系统的冗余（备份双系统），都是需要考虑的。

从冗余度设计上将，SCV设计过程中，存在两个层次的冗余，一种是部分冗余，包含了电子元器件参数冗余，接插件冗余，电机功率冗余，电池能量冗余等。另一种是全冗余，俗称备份系统，全冗余要求包括电机在内的所有电路与电池在部分冗余的基础上，再完整的复制一份，并且这两个系统均在同时工作，当其中一个系统出现问题时，另一个系统能够探测到，并迅速减速停车，避免问题进一步恶化导致摔人事故。

由于成本、体积以及技术难度的原因，市场上，只有美国的Segway做到了全备份，其他的SCV均为完全实现全备份的要求。需要指出的是，市面上有SCV号称做到了备份系统，但仔细研究会发现，其只做到了传感器系统、电池、以及其他人机系统的备份，较为核心的电机与电机驱动电路，没有实现完全的备份，而一般来说，电机驱动系统以及电机控制出现问题的概率将会较大，且一旦出现问题，将是严重且不可挽回的。因此这样的部分备份，不可以称之为备份系统。

小体积，小重量的挑战

当今市场上的SCV设计出现了两条路线，即类似于Segway的大轮车型，以及类似于InMotion?SCV的小巧轻便型。

从SCV的设计角度看，尺寸越小，重量越轻，则越难做。因为SCV越重，由于惯性原因，外界给其产生的加速度扰动就越小，因此控制系统的响应和策略将会很容易做一些。反之，小重量SCV，由于重量大幅减少（Segway?45kg?VS?InMotion?SCV?15kg），在受到同等力量扰动的情况下，SCV将会出现较强的角度变化，从而使得SCV的控制过程需要付出更多的代价，才能获得较好的体验。因此小重量SCV的控制系统设计相对来讲，是比价难得，这也从侧面解释了，为什么市面上类似于Segway的大轮SCV要多于小轮的SCV。

从机械设计与选材角度看，小轮的SCV需要在很小的体积里面，塞入电机驱动，电机，减速器，传感器控制器等零件，同时要考虑散热，兼顾外观，因此机械设计存在较大挑战。另外，由于小轮SCV，侧重点是轻巧，灵便，因此这种SCV的设计者需要思考如何降低车体重量，不管是在选材（碳纤维，镁合金），还是设计上（在保证强度冗余的情况下，去除多余的重量），都需要思考的更多。

无人模式

SCV市场上，从早期的易步车起，就开始加入了无人遥控的功能。只是那时候易步车优化程度不够，SCV很容易产生飞转和乱撞，用户体验很不好。时间进入2013年，SCV行业迎来了新的成员，InMotion?SCV和NineBot，这两款车都提供了手机遥控功能。得益于精确的电机驱动技术，以及优化的控制算法，现在的SCV可以实现较为稳定的自动行走功能，并可以适应不同高度和重量的负责。

SCV的无人稳定站立与运动实现后，给SCV的应用与玩法增加了很多可能。InMotion?SCV提供了动作序列的概念，即人工事先编制出一些运动动作，然后再由SCV来执行。这个概念很好，但是InMotion?SCV做的体验却不好，由于提供的接口太过于专业，一般的用户很难编制出合适的运动，来实现自己的想法。因此其存在较大的优化的可能。

用户体验优化

设计一台可以骑行的SCV不难，设计一台骑行的很舒服的SCV却并不容易。SCV的设计者，需要考虑驾驶者的实际操作习惯和操作方法，包括如何上车，如何下车，骑行过程的各种反馈，较为贴切的音乐和振动提示等等。要做好这些，需要时间经验的积累，并始终从用户的角度出发不断优化，才能获得较好的用户体验。

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